混合式直流斷路器

混合式直流斷路器是指能夠迅速切斷故障電流，還可保證斷路器機械開關無弧分斷的一種斷路器。可以維持電流通路，不會立刻對系統供電運行造成影響，有利於降低檢修難度。

基本介紹

• 中文名：混合式直流斷路器
• 外文名：Hybrid Circuit Breaker for DC-Application
• 優點：降低檢修難度
• 學科：電力輸送
• 背景：直流輸電日益重視
• 拓撲：強迫換流、半導體、避雷器支路

背景

直流輸配電技術與交流輸配電不同，具有損耗低，不產生無功功率，諧波小等顯著優點，因此直流輸電已經用於(超、特)高壓遠距離輸電等場合。此外，直流網路也被套用於多端直流網路、分散式直流發電及直流微電網等場合。

隨著海上風電的快速發展，迫切需要解決大規模風電併網難題，直流輸電技術為風電大規模併網提供了有效的解決方案。隨著基於電壓源換流器的柔性直流輸電技術的快速發展，使構建連線多個換流站的多端直流系統成為可能。

此外，基於分散式清潔能源的直流微電網在城鄉供電、備用電源、商用供電等方面也在逐步推廣套用，直流微電網為分散式能源(distributedenergy resources ， DER)提供了高效接入方案與能量輸出方式。

直流電網系統存在著故障電流難以切斷的難題。與交流系統不同，直流系統由於缺乏自然過零點，因此普通交流斷路器並不完全適用於直流系統。

直流斷路器的快速動作要求，不僅僅是直流系統的要求，也是斷路器自身的要求。因為更長的分斷時間意味著斷路器要具備更大的電流分斷能力和吸收更多的能量，同樣意味著更高的製造成本，因此要考慮儘量縮短斷路器的固有分斷時間，此分斷時間包括保護裝置的故障回響時間以及斷路器自身動作執行時間。目前機械式直流斷路器分斷時間通常需要幾十毫秒，無法滿足直流電網的需要。

近年來，若干新的直流斷路器拓撲被提出ABB公司提出的混合式斷路器實現了低損耗的同時可以在5毫秒內清除故障電流。但是由於其通流支路依賴於全控型電力電子器件，一旦門極失電，會直接影響到正常的負荷電流。全球能源網際網路研究院提出的級聯式H橋斷路器拓撲，研製的樣機已實現3 毫秒內切斷15 kA故障電流。

亞深工業大學提出一種強迫換流混合式直流斷路器拓撲，此拓撲引入了強迫換流電路，在機械開關分開之前將電流換流到轉移支路，此時機械開關可無弧分斷，之後立刻關斷轉移支路器件，故障電流轉移至避雷器支路並下降到零，從而完成了電流分斷過程，但該斷路器無法確保機械開關每次都做到無弧分斷。

在此基礎上，提出了一種新型混合式強迫換流直流斷路器拓撲，闡述了本拓撲的運行方式和設計原則，進而提出了其衍生拓撲，最後通過仿真將該拓撲的分斷性能。

強迫換流型直流斷路器

直流電網的電源側通常由內阻很小的電壓源型變流器構成，且直流線路及平波電抗形成的阻抗較小，故障時多個直流電壓源均會向故障點注入電流，因此通常情況下，尤其在電壓源近端處，直流短路電流增長很快。直流電網短路故障等效電路如圖1所示，可得:

AC/DC換流器用於連線交直流電網，發生短路故障時，應儘量防止直流電網電壓大幅跌落，以維持直流電網的穩定。如果換流器在短路故障發生時無法快速隔離故障點，那么直流電網電壓會因為短路電流過大被迅速拉低，嚴重時甚至會影響到交流系統穩定運行。為了防止直流電網電壓被快速拉低，需要在幾毫秒內清除直流短路故障，因此需要研製能夠可靠且快速隔離故障線路的直流斷路器。

一種強迫換流混合式直流斷路器拓撲如圖2所示，該拓撲引入了強迫換流迴路。強迫換流迴路原理具體如下:強迫換流支路由預充電電容Cc和儲能電感Lc組成，假設忽略T1管壓降，在T1觸發瞬間，強迫換流迴路等效為二階電路，如圖3所示，電容電壓和電感電流初始值已知，並將直流系統電流is看做不受斷路器換流迴路影響的電流源，通過計算該二階電路的全狀態回響，得到電感電流i_L(t)表達式。為確保換流成功，需保證電流i_L在一段時間後能夠反向，進而使電容電壓反向，將系統電流強迫換流至T2支路。

但該斷路器存在如下問題:如果電容儲能過大，會造成電容產生較大反向電壓，那么機械開關的電流被強迫換流到零後還會繼續反向增長，無法實現無弧分斷;如果電容儲能過小，則電容電壓無法實現反向，系統電流LG則無法被轉移至T2支路。

因此，此拓撲的電容值、電容預充電電壓、電感值以及切斷電流四者之間需要進行精確的設計，做到參數高度匹配，否則機械開關就無法實現無弧分斷。一旦參數確定，斷路器能切斷的電流值也是固定的，在實際套用過程中，需要分斷的故障電流會根據故障類型等因素而變化，因此無法確保機械開關每次都做到無弧分斷。

直流斷路器拓撲及工作原理

本拓撲可以確保機械開關無弧分開。與以往的直流斷路器不同，一個二極體D1被引入到機械開關支路以防止強迫換流後再出現反向電流。通過設計，只要確保T1觸發後一段時間後電感電流反向，即可實現機械開關電流在強迫換流後依然維持為零。

在系統運行過程中，由於本斷路器的主支路中不包含可控型電力電子器件，即使斷路器半導體門極突然失電，例如斷路器送能系統臨時故障，本斷路器可維持電流通路，不會立刻對系統穩態運行造成影響，因此可採取措施，例如將斷路器整體旁路並隔離出系統，在不影響正常供電情況下，實現斷路器退出檢修。

直流斷路器拓撲

直流斷路器拓撲如圖4所示，該拓撲包括3條電流支流，即強迫換流支路、半導體支路和避雷器支路。

該拓撲可簡單實現快速機械開關的快速無弧分斷。本拓撲在快速開關支路中引入了一個可以防止電流反向的二極體D1.

斷路器的強迫換流支路可以在半導體失去門極供電的情況下維持通路，因此即使斷路器的半導體門極突然出現失電，直流電網也不會出現供電中斷。

工作原理

在正常情況下，直流電網電流i_G流過機械開關支路，如圖5所示。換流電容Cc需預先充電。換流電容Cc電壓極性如圖5所示，晶閘管T1通常處於關斷狀態，此時系統電流流經二極體D1、換流電感Lc和快速機械開關S1,T2支路無電流通過。

當直流短路故障發生，系統電流i_G迅速上升。當系統電流超過了檢測閡值I_det，則同時觸發晶閘管T1和全控型半導體T2，系統電流由電感立刻轉移至電容C_C，此時流過L_C的電流逐步減小，流過電容C_C的電流逐步增大，電容C_C的電壓也隨之逐步減小。此時，由於T2支路承受反壓，因此沒有電流流過，過程如圖6所示。

預充電電容Cc的能量需足以使T1開通後T/4時刻之前電感電流反向，即當電感Lc的電流降至零時，電容Cc依然有正向電壓存在並繼續對電感放電，電感Lc的電流過零後開始反向增長，當換流電容電壓Uc反向並大於半導體支路器件導通壓降時，系統電流被強迫轉移至半導體支路。與此同時，電容Cc由於電感電流充電從而電壓極性發生改變，如圖7所示。由於二極體D1的存在，反向電感電流不會流過機械開關，從而保持機械開關電流為0。此時機械開關可以實現迅速無弧分斷。

隨後電感電流i_L下降到0，晶閘管承受反向電壓自然關斷。當機械開關完全分開時，立刻關斷T2。系統電流隨之從半導體支路被強迫轉移至避雷器支路。當直流斷路器電壓U_C超過系統電壓，故障電流開始下降，最終故障電流的電磁能量被壓敏電阻或熱容更大的避雷器所消耗。

電路設計要求

強迫換流電路

換流迴路可按照以下方法設計:先設計電感，為了減少換流過程所需能量，電感Lc電感值應儘量小，如微亨級;然後設定換流時間以及電流動作閾值，進而得到迴路電流下降到零的變化率，估算電容電壓初始值。

基於設定的換流時間和電感值，利用LC振盪迴路計算電容容值Cc，為確保機械開關無弧分斷，LC迴路需在T1觸發後設定換流時間內，電感電流發生反向，假設設定換流時間為t1，需滿足上式進而得到電容取值。

通過以上方法初步得到設計參數如下:電感L_c、電容初始電壓U_co、電容值C_c，再將以上參數代入仿真模型加以驗證。

半導體選擇

在中壓或高壓套用場合，半導體支路由若干個串聯的半導體組成。IGBT一般可關斷自身4倍的額定電流，因此非常適用於大故障電流分斷場合。由於IGBT自身存在反向二極體，因此半導體支路需要二極體與IGBT串聯，如圖8所示。

預充電方法

本拓撲直流斷路器需要一個預充電電容，可選擇如下若干電容預充電方法:

1) DC/DC變換器:採用DC/DC變換器從直流電網獲取能量。如圖9所示，隔離型DC/DC變換器輸入端連線直流母線，輸出端為直流斷路器電容供電。此種方法適用於低壓直流系統套用場合。

2)雷射送能:在高壓直流輸電套用場合，由於直流電網電壓很高，幾乎沒有可能從直流電網直接獲取能量，此時可以採用雷射送能的方法為電容預先充電。充電原理如圖10所示，光電池組為斷路器電容提供充電電源。

衍生拓撲

基於以上單向混合式斷路器，進而提出一種雙向直流斷路器，如圖11所示。

與圖3所示斷路器拓撲不同，二極體D1被2個反並聯的晶閘管所代替，同時單向晶閘管T1替換為一對雙向反並聯的晶閘管，半導體支路則由反向串聯IGBT組成。如果系統電流方向反轉，電容電壓極性需隨之反轉，以便分斷時產生需要的強迫換相電流。

結論

直流斷路器是直流電網的關鍵設備，直流電網需要依靠直流斷路器實現故障點的迅速隔離。混合式直流斷路器不僅能夠迅速切斷故障電流，還可保證斷路器機械開關無弧分斷。一旦斷路器半導體器件門極突然失電，相比於某些其他直流斷路器，本斷路器可以維持電流通路，不會立刻對系統供電運行造成影響，有利於降低檢修難度。